Анализ производства никеля сернокислого

ВВЕДЕНИЕ

Целью данного дипломного проекта является изучение и анализ производства никеля сернокислого (сульфат никеля, никелевый купорос), основанного на переработке маточного раствора медного отделения ОАО «Уралэлектромедь».

В ходе работы над дипломным проектом было предложено внедрение технологии получения карбоната никеля в производство никеля сернокислого. Реализация этого проекта позволит решить следующие задачи. Во-первых, снизить содержание щелочных, щелочно-земельных металлов и азота в никелевых растворах, во-вторых, повысить извлечение никеля в готовую продукцию примерно на 47 тонн в месяц.

На протяжении многих десятилетий целями ОАО «Уралэлектромедь» являются:

— быстрое получение прибыли;

— расширение доли предприятия на рынке;

— повышение качества и номенклатуры выпускаемой продукции;

— разработка и внедрение ресурсои энергосберегающих технологий производства.

Указанные направления в результате обеспечат экономическую устойчивость и конкурентоспособность продукции ОАО «Уралэлектромедь» на российском и мировом уровне.

Предлагаемый никелевый купорос имеет большой спрос на мировом рынке. Это продиктовано тем, что этот продукт применяют в гальванотехнике при никелировании металлов, в производстве источников постоянного тока, для изготовления аккумуляторов, для производства твердых сплавов, в жировой и парфюмерной промышленности, для изготовления катализаторов и прочие. В смеси с другими препаратами его используют в качестве фунгицида.

Расположение предлагаемого производства в условиях ОАО «Уралэлектромедь» также дает ряд преимуществ:

Во-первых, производство никеля сернокислого основано на переработке маточного раствора медного отделения купоросного цеха. Медное отделение производит медный купорос, сырьём которого являются отработанный электролит цеха электролиза меди и медных гранул, то есть источниками исходного сырья являются цеха, расположенные на территории данного предприятия, что, в свою очередь, приводит к снижению затрат на транспортировку, закуп сырья и т. д. Во-вторых, большой спрос на никель сернокислый объясняется отсутствием товаров заменителей, что делает предлагаемый продукт уникальным.

ОАО «Уралэлектромедь» придерживается следующей политики в отношениях с конкурентами: «Привлечь потребителя лучшим качеством и умеренной ценой».

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ Основными источниками для получения никеля сернокислого служат серная кислота и никель: никельсодержащие растворы кобальтового производства или медеэлектролитных заводов.

1.1 Получение никеля сернокислого растворением никеля в серной кислоте Небольшие количества технического сульфата никеля изготовляют растворением металлического никеля в серной кислоте, к которой добавлено немного азотной кислоты. На 1 кг металлического никеля берут 5 кг 33 — 35%-ной серной кислоты и 120 — 150 г азотной кислоты (100%). Реакция идет при нагревании паром до 60^оС. Полученный раствор сульфата никеля, отделенный от нерастворившегося остатка, в случае необходимости подвергают очистке от примесей железа и меди. Медь может быть вытеснена из раствора порошком металлического никеля, а железо после этого выделяется в виде гидрата окиси действием черного гидрата никеля (смесь гидратов 2, 3 и 4 — валентного никеля) или зеленого гидрата никеля (основной карбонат никеля) в присутствии кислорода воздуха. Полученный раствор сульфата никеля подвергают кристаллизации обычными способами.

Примеси железа и меди могут быть отделены от раствора NiSO₄ ступенчатым осаждением гидроокисей аммиаком с отделением осадка гидроокиси железа при рН = 3 и гидроокиси меди рН = 4,5. Осаждение гидроокисей облегчается при введении перед каждой ступенью нейтрализации затравки соответствующей гидроокиси. Разработан метод очистки раствора NiSO₄ от примесей железа и меди противоточной экстракцией; экстрагентом является Ni-мыло.

Очистка раствора NiSO₄ от ионов цинка может быть осуществлена анионообменным методом с применением смолы — вофатита MD. Предварительно ее обрабатывают сероводородом для насыщения ионами S^2-; при обработке под давлением 19 ат концентрация серы достигает 0,58 г на 100 мл смолы. В результате ионного обмена при рН = 3,2 протекает реакция:

S-вофатит + Zn²⁺ + SO₄^2- = ZnS + SO₄^2- + вофатит (1.1)

При этом 80 — 90% выделяющегося сульфида цинка задерживается в свободном объеме ионообменной колонны, равном 60 — 70% от объема смолы. Остальное количество ZnS улавливается неполярным фильтром — вофатитом F.

Ионообменные смолы могут быть также использованы для очистки раствора NiSO₄, полученного из отработанных катализаторов. Предварительно смолу обрабатывают щелочью. При пропускании через такую смолу кислого водного раствора, содержащего ионы Fe³⁺ и Ni²⁺, в результате ионного обмена рН раствора повышается до 3 — 5 и из раствора выделяется только железо. Наиболее эффективно Fe³⁺ отделяется при рН = 4,5. Такая величина рН достигается при обработке щелочных смол раствором NH₄C1.

1.2 Получение никеля сернокислого из растворов кобальтового производства Наибольшее количество сульфата никеля получают сейчас из никелевых сульфатных растворов кобальтового производства, содержащих ~ 30 г/л Ni. Они образуются при растворении в серной кислоте зеленых гидратов, получаемых при электролитическом растворении никель — кобальтовых анодов или при растворении кобальтового шпур — штейна в атмосфере кислорода под давлением (в автоклаве) [1,3].

Из сульфатного раствора, являющегося отходом кобальтового производства, осаждают раствором соды карбонат никеля. Реакционную смесь перемешивают воздухом в аппаратах Пачука и нагревают паром до 80 °C. Полученная суспензия отстаивается и верхний слив удаляют в бассейн сточных вод, а из сгущенной пульпы отделяют карбонат никеля на дисковом вакуум — фильтре. Осадок, снятый с фильтра, имеет влажность 70%; его репульпируют с водой в мешалке и повторно отфильтровывают на барабанном вакуум — фильтре. С последнего промытый влажный осадок направляют в аппараты Пачука, где его растворяют при 80 — 85 °C в концентрированной серной кислоте (купоросном масле) для получения раствора NiSO₄, содержащего 160 г/л Ni. Этот раствор очищают от примесей железа, меди и кобальта добавкой влажного карбоната никеля. После отделения осадков — примесей на фильтр-прессе раствор выпаривают в вакуум — выпарной батарее до содержания 260 — 270 г/л Ni и направляют на кристаллизацию никелевого купороса в механические или вакуум — кристаллизаторы, где раствор охлаждается до 17 °C. Кристаллы NiSO₄*7H₂O отделяют на центрифугах и с гигроскопической влажностью 3 — 5% укупоривают или предварительно брикетируют на гидравлических прессах в блоки. Часть маточного раствора, содержащего 120 — 140 г/л Ni, добавляют к раствору, получаемому после растворения карбоната никеля в серной кислоте, другую часть присоединяют к исходному раствору, поступающему из кобальтового производства.

1.3 Получение никеля сернокислого из растворов медеэлектролитных заводов При электролитическом рафинировании меди на медеэлектролитных заводах сульфат никеля также получают в качестве побочного продукта. При электролитическом растворении медных анодов и осаждении меди на катоде электролитом служит раствор медного купороса [1,4]. При рафинировании меди некоторые содержащиеся в ней примеси почти полностью переходят в раствор другие — в шлам, а третьи — частично в шлам, частично в раствор. Полностью переходят в раствор металлы, более электроположительные, чем медь. К ним относятся никель, цинк и железо. Эти металлы не осаждаются на катоде и постепенно накапливаются в растворе, что приводит к уменьшению растворимости сульфата меди и к ухудшению условий электролиза. Для поддержания в электролите минимальной концентрации примесей часть раствора периодически выводят из цикла электролиза и взамен добавляют к электролиту серную кислоту. Выведенный раствор подвергают регенерации.

При растворении 250 т анодов в сутки, содержащих 0,1% Ni, в раствор переходит 250 кг Ni и необходимо ежесуточно выводить из цикла 10 м³ раствора при содержании в нем 25 г/л Ni или 25 м³ при концентрации 10 г/л Ni. Обычно раствор, отбираемый для регенерации, содержит (в г/л): 40 — Сu, 180 — H₂SO₄, 15 — Ni, 3 — Fe, 7 — As и др. Его вначале нейтрализуют медным скрапом в натравочной башне при продувке воздухом и после выпарки кристаллизуют при охлаждении медный купорос. Маточный раствор подвергают дополнительной выпарке с последующей кристаллизацией уже загрязненного медного купороса, который очищают перекристаллизацией. Конечный маточный раствор содержит ~50 г/л Сu, 40 г/л H₂SO₄ и 50 г/л Ni. Его подвергают электролизу в ваннах со свинцовыми анодами, причем медь осаждается на катодах с большим количеством примесей и отправляется затем в переплавку вместе с черновой медью. Отработанный электролит содержит до 120 г/л H₂SO₄, 2 г/л Сu и 55 г/л Ni. Его выпаривают и охлаждают для кристаллизации никелевого купороса. Оставшийся маточный раствор вторично выпаривают и подвергают кристаллизации и, при надобности, второй маточный раствор подвергают аналогичной обработке. При первой кристаллизации получают достаточно чистый никелевый купорос, а при следующих операциях кристаллизуется загрязненный продукт, который подвергают перекристаллизации. Конечный раствор после выпарки до 1200 г/л H₂SO₄ и очистки от примесей возвращают электролиз меди [1,4].

Выводы к разделу 1

Рассмотрев технологии различных способов получения никеля сернокислого можно отметить, что, никель сернокислый в основном является побочным продуктом. При очистке растворов NiSО₄ при помощи ионообменных смол получение никеля сернокислого является, наиболее эффективным, но также и дорогим.

На предприятии ОАО «Уралэлектромедь» выбран метод получения никеля сернокислого из маточного раствора медного отделения купоросного цеха, являющегося отходом производства медного купороса.

В рассмотренных методах получения никеля сернокислого, отработанные загрязненные растворы выводят из обращения в окружающую среду, что неблагоприятно складывается на экологической ситуации. В отличие от других методов, по технологии получения на ОАО «Уралэлектромедь» отработанные растворы не сливают, а направляют на очистку в гидрометаллургическое отделение химико-металлургического цеха (ГМО ХМЦ), а затем, полученный после очистки раствор направляют вновь на нужды цехов то есть образуется замкнутый цикл, что в свою очередь экономит расход воды, обеспечивает охрану окружающей среды.

В заключении хочется сказать, что наиболее экономичным способом утилизации выводимого маточного раствора медного отделения, содержащего до 120 г/л Ni, является переработка его в никель сернокислый, стоимость которого на мировом рынке выше медного купороса.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА НИКЕЛЯ СЕРНОКИСЛОГО Технологическая схема производства никеля сернокислого включает 4 стадий:

— обезмеживание раствора;

— стадия подготовки никелевых растворов;

— получение карбоната никеля (проектируемая технология);

— производство никеля сернокислого реактива марки «ч».

Технологическая схема производства никеля сернокислого представлена на рисунке 2.1 (Приложение).

2.1 Характеристика сырья В производстве никеля сернокислого в качестве основного сырья используют раствор маточный III стадии кристаллизации производства медного купороса. Химический состав сырья приведен в таблице 2.1.

Таблица 2.1- Химический состав маточного раствора III стадии медного отделения

Данные помеченные (*) являются справочными Периодичность и методы контроля химического состава раствора приведены в ТИ 194 429−0400−06−2003.

2.2 Процесс обезмеживания растворов Процесс обезмеживания электроосаждением с малорастворимыми анодами проводят для удаления меди из раствора маточного III стадии медного отделения. На участок подготовки никелевых растворов в бак И6 подают маточный раствор III стадии медного отделения, который фильтруют на фильтр-прессе ФП 5. Фильтрат направляют на рабочую серию для проведения процесса обезмеживания.

Полученный, при чистке фильтр-пресса, кек упаковывают и отгружают как отходы медьсодержащие.

Процесс обезмеживания осуществляют в две стадии из-за опасности выделения газа арсина при обезмеживании раствора до содержания меди в растворе 6−8 г/дм³. Обезмеживание раствора проводят в ваннах ящичного типа. На участке установлено четыре серии электролизных ванн. В ванну загружается 31−32 пары электродов. В качестве катодов применяют катодную основу (медные катоды), а в качестве анодов — аноды свинцовые регенеративные.

Все ванны в серии объединены в электрическую цепь, и каждая серия имеет отдельный источник питания — тиристорный преобразователь.

После достижения заданного значения содержания меди на I стадии — 10−12 г/дм³, раствор перекачивают на II стадию. Обезмеженный раствор II стадии направляют в бак И3 и далее, для усреднения с поступающим из ванн подготовки растворов, в бак Ф1. Фильтрат направляют в бак исходного раствора И 4.1 на производство никеля сернокислого.

Выгружаемые периодически из ванн катоды медь мышьяковистые отправляют на переплавку или на растворение.

Состав растворов, полученных в процессе обезмеживания, приведен в таблице 2.2. Режимные параметры процесса обезмеживания представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.2 — Состав раствора полученного в процессе обезмеживания

Данные помеченные (*) справочные, определяются, но не нормируются Таблица 2.3 — Режимные параметры обезмеживания растворов

2.2.1 Сущность электроосаждения с малорастворимыми анодами Сущность электроосаждения с малорастворимыми анодами заключается в том, что при пропускании внешнего постоянного тока через цепь, составленную из двух электродов и электролита, на границах раздела электрод-электролит протекают процессы восстановления ионов на катоде и окисления на аноде.

На аноде идет реакция с выделением кислорода:

2H₂O — 4е^- O₂ + 4H⁺ (2.1)

Выделившийся кислород в первые моменты работы анода окисляет свинец и покрывает его поверхность окисной пленкой, препятствующей дальнейшей коррозии свинца, а затем выделяется с анода в атмосферу в виде пузырьков.

На катоде протекает процесс разряда ионов меди:

Cu²⁺ + 2е Cu⁰ (2.2)

Ионы же водорода Н⁺ накапливаются в растворе и вместе с высвобождающимися ионами SO₄^2-, образуют серную кислоту, повышая ее концентрацию в растворе:

2H⁺ + SO₄^{2 -} H₂SO₄ (2.3)

Таким образом, при электролизе с малорастворимыми анодами, электрический ток разлагает сульфат меди. На катоде выделяется медь, и образуется серная кислота, на аноде выделяется кислород. Эти процессы выражаются суммарной реакцией:

CuSO₄ + H₂O = Cu + H₂SO₄ + ½ O₂ (2.4)

2.2.2 Факторы, влияющие на процесс обезмеживания Перемешивание раствора для усреднения его состава во всем объеме ванны осуществляется при помощи проточной циркуляции подогретого раствора через ванны.

Скорость циркуляции определяется опытным путем. При недостаточной циркуляции раствора возле поверхности катода раствор обедняется медью и в растворе может наступить расслаивание. Осадок на катоде при этом становится рыхлым, темным, обогащенным примесями. При чрезмерно большой скорости циркуляции раствора может произойти взмучивание шлама.

Температура раствора относится к одному из основных параметров технологического процесса. С повышением температуры повышается подвижность всех ионов, имеющихся в растворе, а значит и повышается его электропроводность. Однако повышение температуры также увеличивает испарение с поверхности раствора, в результате чего ухудшается атмосфера на участке.

Присутствующие в растворе примеси (никель, мышьяк, серная кислота) также влияют на процесс обезмеживания.

Никель относится к элементам с более электроотрицательным потенциалом, чем медь и поэтому он накапливается в растворе в виде сульфата никеля и на катоде не осаждается. Очень незначительное присутствие никеля в катодном осадке объясняется включением электролита в поры и межкристаллические пустоты, или из-за плохой отмывки катодов от электролита.

Сульфат никеля снижает растворимость сульфата меди, увеличивает омическое сопротивление электролита, приводит к увеличению расхода электроэнергии.

Мышьяк относится к наиболее вредным примесям. Потенциал мышьяка близок к потенциалу меди. Он хорошо растворяется и при значительном накоплении в электролите может осаждаться на катоде, и выделяться в виде мышьяковистого водорода в атмосферу участка.

Остальные примеси (цинк, железо, магний, кальций, сурьма) остаются в электролите в виде сульфатов.

2.3 Подготовка растворов никелевого отделения Подготовку растворов проводят для доизвлечения никеля из черновых маточных никелевых растворов, снижения их температуры и зашламленности. Состав раствора приведен в таблице 2.4.

Таблица 2.4 — Состав раствора, поступающего на операцию подготовки

Черновой маточный никелевый раствор из бака М5 закачивают в ванну подготовки растворов, загружают блок охлаждающий, в который подают техническую воду, и проводят процесс охлаждения раствора. Одновременно со снижением температуры идет процесс кристаллизации никеля сернокислого на поверхностях охлаждающего блока, днища и стенок ванны.

После охлаждения раствора до заданной температуры, производят слив осветленной части раствора из ванны через верхнее сливное отверстие в приемный бак осветленного раствора Р5. Затем выгружают блок и смывают шлам и кислоту с кристаллов. Блок погружают в другую ванну для растворения кристаллического никеля сернокислого конденсатом. Полученный никелевый раствор сливают в бак Ф1.

После распульповки донной части полученный зашламленный раствор сливают через донное сливное отверстие в бак Ф1, где проводят нагрев раствора до заданной температуры подачей пара на регистры.

Усредненный раствор (раствор стадии подготовки смешенный с обезмеженным раствором) фильтруют на фильтр-прессе ФП 8. Фильтрат направляют в бак исходного раствора И 4.1 на производство никеля сернокислого.

Полученный, при чистке фильтр-пресса, кек упаковывают и отгружают как отходы медьсодержащие. Состав получаемого на участке подготовки раствора приведен в таблице 2.5. Режимные параметры процесса подготовки никелевых растворов приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.5 — Химический состав осветлённого раствора получаемого после охлаждения на участке подготовки никелевых растворов

Представленные данные определяются, но не нормируются.

Таблица 2.6 — Режимные параметры процесса подготовки раствора

2.4 Получение карбоната никеля Сырьём для получения карбоната никеля является 80% об. маточного раствора (чистого цикла). Осаждение никеля раствором соды основано на образовании нерастворимого осадка при взаимодействии карбоната натрия (соды) с раствором сульфата никеля по реакции:

NiSO₄+ Na₂CO₃ = NiCO₃ + Na₂SO₄ (2.5)

Технология получения карбоната никеля состоит из следующих операций:

— приготовление раствора соды;

— осаждение карбоната никеля раствором соды;

— фильтрация суспензии карбоната никеля;

— промывка осадка карбоната никеля;

— доосаждение карбоната никеля из промрастворов;

— распульповка карбоната никеля в конденсате;

— растворение карбоната никеля серной кислотой.

Технологическая схема получения карбоната никеля представлена на рисунке 2.2 (Приложение).

2.4.1 Приготовление раствора соды

Приготовление раствора соды ведут в баке-мешалке Кб1. На одну операцию самотеком закачивают в бак-мешалку конденсат из бака К11, подогревают до температуры от 50⁰С до 65⁰С.

Затем постепенно из мешков загружают расчетное количество кальцинированной соды. Содовый раствор должен содержать 150 г/дм³ соды. Для поддержания температуры в бак-мешалке в паровую рубашку подают пар. Операцию проводят до полного растворения соды.

2.4.2 Осаждение карбоната никеля Осаждение карбоната никеля ведут в бак-мешалке Кб 2.

На операцию осаждения подают из бака напорного Кб 4 раствор никелевый маточный чистовой до рабочего уровня и разогревают в пределах от 50 ⁰С до 60 ⁰С.

Затем постепенно самотеком из бак-мешалки Кб 1 подают приготовленный раствор соды. Осаждение проводят до установления в суспензии рН от 7 до 8.

2.4.3 Фильтрация суспензии карбоната никеля Суспензию после осаждения карбоната никеля фильтруют на фильтр-прессе Фп 10. В качестве фильтрующего элемента применяют фильтровальную ткань ТЛФТ 5. Фильтрат направляют в бак фильтрата Кб7. После фильтрации осадок прессуют, и вытесненный фильтрат также направляют в бак К7.

2.4.4 Промывка осадка После вытеснения фильтрата проводят промывку осадка на фильтр-прессе. На одну операцию промывки необходимо от 5 до 6 м³ конденсата из конденсатного бака К11 с температурой более 50 ⁰С. Осадок с фильтр-пресса через течку направляют в бак-мешалку Кб3 на растворение серной кислотой или выгружают в контейнер. Промывная вода поступает в бак Кб8.

2.4.5 Доосаждение карбоната никеля из фильтрата Фильтрат после промывки карбоната никеля и промводу из бака Кб7 подвергают повторной операции осаждения карбоната никеля, для чего насосом закачивают в бак-мешалку Кб 2. Осаждение проводят до установления в суспензии рН от 8 до 9. Затем суспензию направляют на фильтр-пресс. Осадок карбоната никеля промывают и направляют на растворение, а фильтрат поступает в бак Кб 8, откуда насосом откачивают в ГМО ХМЦ.

2.4.6 Распульповка и растворение карбоната никеля Распульповку карбоната никеля ведут в бак-мешалке Кб 3. Из конденсатного бака К11 самотеком подают конденсат с температурой более 50 ⁰С, закачивая бак-мешалку Кб 3 до рабочего уровня.

Растворение карбоната никеля проводят в этой же бак мешалке Кб 3. Массу карбоната никеля и серной кислоты, необходимой для проведения реакции растворения определяют по весовому индикатору. Через бак-мерник подают расчетное количество серной кислоты. Операцию ведут до полного растворения карбоната никеля. Остаточная концентрация свободной серной кислоты не должна превышать 5 г/дм³. Раствор после растворения карбоната никеля направляют в агитаторы никелевое отделение Аг 5, Аг 6, Аг 7, Аг 8 на стадию чистки никелевых растворов от примесей железа, меди и цинка.

2.5 Производство никеля сернокислого реактива марки «ч»

Процесс получения никеля сернокислого организован в две стадии. В черновом цикле выпарной вакуум-кристаллизации получают черновые кристаллы, которые после разделения на центрифуге растворяют и раствор подвергают очистке от примесей. Очищенный раствор подкисляют и направляют в чистовой цикл выпарной вакуум-кристаллизации, затем на разделение, сушку кристаллов никеля сернокислого и упаковку готового продукта. Маточный раствор чернового цикла возвращают на участок подготовки в процесс охлаждения и кристаллизации никеля сернокислого, затем направляют в медное отделение. Маточный раствор чистового цикла направляют на участок получения карбоната и на операцию очистки от примесей.

2.5.1 Выпарная вакуум-кристаллизация (черновой цикл) Выпарная вакуум — кристаллизация (черновой цикл) предназначена для получения черновых кристаллов никеля сернокислого из усреднённого раствора.

Из бака И 4.1 обезмеженный раствор перекачивают для усреднения раствора в бак И 4.2, далее закачивают в напорный бак Нб 4−1(4−2), и подают в выпарной вакуум-кристаллизатор ВВК4−1(4−2) (далее ВВК) до рабочего уровня, где он смешивается с циркулирующей суспензией.

Нагрев раствора проводят паром в греющей камере ГК 4−1(4−2) до заданной температуры. Под действием напора, создаваемого циркуляционным насосом 401 перегретый маточный раствор, поступающий из греющей камеры, вытекая из сопла струйного насоса с большой скоростью, подсасывает суспензию, циркулирующую в аппарате. Поступающий исходный раствор и образовавшаяся смесь поднимается по центральной циркуляционной трубе вверх и на выходе из нее вскипает, вследствие наличия разряжения в сепараторе ВВК. Вакуумная система, поддерживающая разрежение в ВВК, состоит из пароэжекторного блока ПЭБ 4−1 (4−2), вакуумного насоса 403 (404, 405) и поверхностного конденсатора Пк 4−1 (4−2).

При кипении раствор теряет тепло перегрева и охлаждается до равновесной температуры кипения раствора при данном остаточном давлении. В результате охлаждения, а также за счет испарения, при кипении, части растворителя в растворе создается пересыщение и происходит выделение зародышей кристаллической соли никеля сернокислого и рост кристаллов на зародышах, которые поступили ранее из центральной циркуляционной трубы в зону кипения.

Образовавшиеся кристаллы в виде суспензии частично выводят из ВВК, перекачивая на центрифугу Цф 6(8) насосом 419.

Настройка, вывод ВВК на технологический режим и контроль режимных параметров в процессе работы производят с помощью контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации. Настроечные и режимные параметры ведения процесса выпарной вакуум-кристаллизации приведены в таблицах 2.7, 2.8. Конденсат греющего пара подается на промывку смотровых окон ВВК и в нижнюю часть корпуса для растворения кристаллов.

Таблица 2.7 — Настроечные параметры ВВК

Таблица 2.8 — Режимные параметры процесса выпарной вакуум-кристаллизации никеля сернокислого.

Факторы, влияющие на процесс выпарной вакуум-кристаллизации, рассмотрены ниже.

Повышение температуры пересыщенного раствора уменьшает скорость образования кристаллических зародышей и уменьшает гидратацию ионов, что приводит к увеличению их размера, а также облегчает объединение их в зародыши. С повышением температуры снижается поверхностное натяжение между раствором и образующимся зародышем и облегчается работа по его росту. Понижение температуры вызывает обратные процессы.

Растворимые примеси, присутствующие в растворе, оказывают различное влияние на скорость образования центров кристаллизации. Они соосаждаются или зарабатываются в кристаллическую решетку, одни из них значительно сокращают индукционный период кристаллизации и резко повышают скорость, другие действуют как поверхностно-активные вещества, адсорбируются на поверхности микрозародышей и повышают устойчивость пересыщенных растворов.

2.5.2 Процесс разделения суспензии никеля сернокислого (черновой цикл) Процесс разделения суспензии никеля сернокислого предназначен для отделения кристаллов никеля сернокислого от маточного раствора.

Суспензию кристаллов никеля сернокислого перекачивают в центрифугу Цф 6(8) насосом 419, где суспензия раскручивается и центробежной силой отбрасывается, равномерно распределяясь, на сита первого каскада.

Промывку кристаллов производят подачей конденсата через установленные в центрифуге форсунки.

Маточный раствор проходит через сита в кожух и поступает в бак М5. После отстоя раствор направляют на операцию подготовки никелевых растворов Толкатель центрифуги перемещает оставшиеся кристаллы по ситам, а на очищенные сита поступает новая порция суспензии. При движении толкателя кристаллы пересыпаются с первого каскада на второй и перемещаются вдоль ротора к бункеру выгрузки. При перемещении осадка вдоль ротора вначале происходит основной отжим маточного раствора, затем промывка и предварительная просушка кристаллов. Просушенные кристаллы поступают в бункер выгрузки под центрифугой и шнеком подаются в агитаторы Аг 3, Аг 4 на растворение.

Факторами, влияющими на процесс разделения суспензии, являются: плотность маточного раствора, размер кристаллов и центробежная сила ротора центрифуги.

С увеличением плотности маточного раствора скорость фильтрации, а, следовательно, производительность снижаются и наоборот.

Мелкие кристаллы никеля сернокислого при формировании фильтрующего слоя на роторе плотно забивают отверстия сита и препятствуют отделению маточного раствора, что ведет к снижению скорости и ухудшению отмывки кристаллов от кислоты и шламов;

Увеличение центробежной силы, иными словами увеличение числа оборотов ротора центрифуги, влияет на фактор разделения (соотношение центробежной силы и силы тяжести) и увеличивает скорость фильтрации и производительность центрифуги.

2.5.3 Растворение кристаллов чернового никеля сернокислого Растворение кристаллов производят для получения раствора никеля сернокислого в агитаторах Аг 3, Аг 4 раствором никеля сернокислого, после растворения никеля карбоната и промводой из бака Пв 7. Для перемешивания и интенсификации процесса в агитатор подают острый пар и сжатый воздух. Технологические параметры процесса приведены в таблице 2.9.

Таблица 2.9 — Режимные параметры процесса растворения кристаллов никеля сернокислого (чернового)

2.5.4 Процесс очистки раствора от примесей Очистка раствора от примесей предназначена для получения исходного раствора для выпарной вакуум-кристаллизации чистового цикла. Растворы из агитатора Аг 3 (Аг 4) перекачивают насосом 433 в агитатор Аг 5(6,7,8), где производят очистку от меди, железа и цинка. В агитатор Аг 5(6,7,8) поступает 20% об. маточного раствора (чистого цикла). Режимные параметры представлены в таблице 2.10. Реагентом для очистки служит сепарированный мел. Раствор нагревают паром и перемешивают сжатым воздухом. Количество необходимого сепарированного мела определяют исходя из концентрации серной кислоты и конечного значения pH.

Скорость агитации возрастает с ростом температуры и расхода сжатого воздуха на агитацию.

Таблица 2.10 — Режимные параметры операции очистки никелевых растворов от меди, железа и цинка

2.5.5 Фильтрация суспензии Фильтрацию суспензии производят для отделения очищенного раствора от осадка на фильтр-прессе ФП 6(7). Для создания на фильтровальной ткани фильтрующего слоя из осадка первые 10−15 минут раствор возвращают в агитатор, чтобы избежать проскока мелкодисперсных частиц щелочных солей. Допустимое остаточное содержание примесей после очистки раствора приведено в таблице 2.11. Далее раствор с фильтр-пресса подают в бак И5.1(5.2), где подкисляют серной кислотой до заданного значения.

Таблица 2.11 — Допустимое остаточное содержание примесей после очистки раствора (железа, меди, цинка)

По окончании операции фильтрации осадок на фильтр-прессе промывают конденсатом в бак ПВ 7, фильтр-пресс продувают сжатым воздухом и очищают от осадка. Никелевый кек выгружают в мягкие контейнеры и отправляют на склад готовой продукции, как отходы никельсодержащие.

2.5.6 Выпарная вакуум-кристаллизация (чистовой цикл) Выпарная вакуум-кристаллизация (чистовой цикл) предназначена для получения продукционных кристаллов никеля сернокислого из исходного раствора.

Из бака И 5.1(5.2) исходный раствор закачивают насосом 424 в напорный бак Нб4−3 (4−2) и подают в выпарной вакуум-кристаллизатор ВВК 4−3(4−2). Схема организации процесса выпарной вакуум-кристаллизации чистового цикла аналогична схеме чернового цикла.

Образовавшиеся кристаллы в виде продукционной суспензии частично выводят из ВВК, перекачивая на центрифугу Цф7 насосом 421.

Настройка, вывод ВВК на технологический режим и контроль режимных параметров в процессе работы производят с помощью контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации. Настроечные и режимные параметры ведения процесса выпарной вакуум-кристаллизации приведены в таблицах 2.7, 2.8.

2.5.7 Процесс разделения суспензии никеля сернокислого (чистовой цикл) Процесс разделения суспензии никеля сернокислого предназначен для отделения кристаллов никеля сернокислого от маточного раствора.

Суспензию кристаллов никеля сернокислого перекачивают в центрифугу Цф 7 насосом 424, где производят процесс разделения суспензии аналогично такому же процессу в черновом цикле. Кристаллы транспортируют на операцию сушки. Маточный раствор направляют в бак М6, откуда его направляют в процесс получения карбоната никеля или в Аг 5 (6, 7, 8) для корректировки удельного веса раствора перед очисткой.

2.5.8 Сушка никеля сернокислого Сушку никеля сернокислого производят для удаления избыточной влаги из кристаллов никеля сернокислого в сушилке барабанной Сб 4, оснащенной калорифером для подогрева воздуха и вентилятором для его подачи.

Кристаллы никеля сернокислого шнеком подают на вход сушилки барабанной. Проходя по сушилке барабанной, кристаллы попадают в поток горячего воздуха. Влага испаряется и с потоком воздуха удаляется из полости сушилки барабанной в аспирационную систему пылеулавливания АС-4 (рисунок 2.3). Просушенные кристаллы никеля сернокислого ссыпают в приемный бункер.

Запыленный воздух после сушилки барабанной поступает на установку очистки воздуха, где вытяжным вентилятором протягивается через скруббер мокрого пылеулавливания. Очищенный от пыли никеля сернокислого воздух выбрасывается в атмосферу (рисунок 2.3).

Эксплуатация и обслуживание установки очистки газа производится в соответствии с инструкцией ИЭ 0400−11−01.

Факторы, влияющие на процесс сушки, рассмотрены ниже.

Повышенная относительная влажность воздуха, подаваемого в сушилку барабанную, снижает эффективность его применения в качестве теплоносителя. Относительная влажность воздуха зависит от метеорологических условий.

Повышение расхода теплоносителя, повышает скорость процесса сушки.

Повышение температуры теплоносителя, повышает скорость процесса сушки.

Превышение температуры воздуха свыше 130 ⁰С приводит к пересушиванию готового продукта и увеличение выноса пыли никеля сернокислого в систему газоочистки.

Схема пылегазоулавливающей установки АС-4

1 — элеватор; 2 — шнек; 3 — калорифер; 4 — вентилятор нагнетающий; 5 — приёмный бункер; 6 — вентилятор вытяжной; 7 — скрубберный бак; 8 — насос циркуляционный; 9 — скруббер; Сб — сушильный барабан Рисунок 2.3

2.5.9 Упаковка и пакетирование никеля сернокислого

Упаковку никеля сернокислого реактива марки «ч» производят на узле затаривания в мешки по 25 или 50 кг, затем пакетируют их на поддоне с применением саморастягивающейся полиэтиленовой пленки для придания прочности и внешнего вида готовому продукту.

2.6 Характеристика товарной продукции Никелевое отделение купоросного цеха выпускает два вида товарной продукции:

никель (II) сернокислый 7-водный чистый (Ч.) NiSO₄*7H₂O;

никель (II) сернокислый 6-водный чистый (Ч.) NiSO₄*6H₂O.

Никель сернокислый представляет собой кристаллы изумрудно-зеленого цвета, растворимые в воде, выветривающиеся на воздухе.

Никель (II) сернокислый 7-водный реактив марки «ч» выпускают в соответствии с настоящей технологической инструкцией по техническим условиям ГОСТ 4465–74.

Содержание основного вещества и примесей должны соответствовать нормам, указанным в таблице 2.12.

Таблица 2.12 — Химический состав никеля (II) сернокислого 7-водного

Никель (II) сернокислый 6-водный чистый выпускают в соответствии с настоящей технологической инструкцией, по техническим условиям ТУ 2622−368−105−98.

Содержание основного вещества и примесей должны соответствовать нормам, указанным в таблице 2.13.

Таблица 2.13 — Химический состав никеля (II) сернокислого 6-водного чистого

Никель сернокислый применяется в машиностроении, приборостроении, в изготовлении медицинского оборудования и инструментария, в электротехнической отрасли, химической промышленности.

3 АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА Участок по производству никеля сернокислого расположен в главном корпусе купоросного цеха ОАО «Уралэлектромедь». Производство никеля сернокислого состоит из трёх участков: участка подготовки никелевых растворов, никелевого отделения и получения карбоната никеля.

3.1 Характеристика основного оборудования производства никеля сернокислого На участке подготовки никелевых растворов размещено оборудование двух технологических процессов:

— обезмеживания маточных растворов III стадии медного отделения;

— подготовки растворов никелевого отделения.

Характеристика основного оборудования производства никеля сернокислого представлена в таблице 3.1.

Таблица 3.1 — Основное оборудование производства никеля сернокислого

Планово-предупредительные и капитальные ремонты оборудования производят согласно утвержденному графику [7, 8].

а) Фильтр-пресс ЧМ.

Фильтр-пресс ЧМ представляет собой набор фильтровальных плит, размещенный между передней стойкой фильтр-пресса и его нажимной плитой. Механизм зажима плит монтируется в задней стойке фильтр-пресса, а также оснащен гидроцилиндром для создания рабочего усилия сжатия плит, но в обоснованных случаях возможно использование электромеханического зажима плит. Данный фильтр-пресс с боковой подвеской, фильтровальные плиты имеют по бокам специальные кронштейны-ручки, которые выполняют сразу две функции: с их помощью плиты опираются на продольные стяжки, и они же служат рабочими органами для механизма перемещения плит.

Данный фильтр-пресс выбран в связи с тем, что имеет следующие преимущества:

— высокая производительность фильтр-пресса за счет фильтрования под давлением 16 атм.;

— оснащен эффективным механизмом выгрузки осадка, позволяющим сократить время этой операции более чем в три раза;

— максимально возможный срок службы фильтровальных салфеток, за счет устройства для регенерации фильтровальной ткани без демонтажа ее с фильтр-пресса при незначительном расходе воды;

— сравнительно с фильтрами других конструкций фильтр-прессы ЧМ характеризуются в 8…12 раз меньшим расходом электроэнергии;

— минимальный расход промывных жидкостей, за счет увеличения эффективности промывок при их равномерном прохождении через всю толщину осадка и отжима осадка мембранами;

— полипропиленовые фильтровальные плиты устойчивы во всех коррозионоактивных жидкостях;

— отжимные мембраны позволяют отпрессовать осадок и получить его с минимальной влажностью, что значительно снижает энергозатраты на сушку осадка;

— шторы защищают обслуживающий персонал и производственные помещения при аварийных и нештатных разгерметизациях фильтр-прессов;

— набор осадка на полную толщину камеры, устранение размывов осадка, за счет его поджатия мембранами;

— сравнительно небольшой вес и габариты;

б) Центрифуга Центрифуги данного типа? ФГП-401 К, горизонтальная, пульсирующая, фильтрующая, непрерывного действия, производительностью по осадку 10 т/ч, предназначена для непрерывного разделения суспензий, содержащих твердую фазу в виде крупно — и среднеизмельченных кристаллов [12,24].

Конструктивной особенностью центрифуг типа ФГП является консольное расположение ротора с пульсирующим толкателем.

Центрифуга представляет собой фильтрующую машину непрерывного действия с двухкаскадным ротором. Ротор состоит из двух дырчатых обечаек сварной конструкции с днищем, в которых укреплены щелевидные колосниковые сита. Внутри ротора укреплены приемный и защитный конуса. Внутрь ротора подведена питающая труба, закрепленная на кожухе. На приемном конусе установлено уравнительное кольцо, служащее для формирования слоя осадка, на защитном — съемное кольцо, служащее для перемещения осадка вдоль ротора.

Суспензия по питающей трубе поступает в пространство между питающим и защитным конусами, раскручивается и центробежной силой отбрасывается, равномерно распределяясь на ситах I каскада. Жидкая фаза суспензии проходит через сита в кожух, а твердая накапливается на ситах.

При движении толкателя с обечайкой и ситами I каскада в сторону станины осадок наталкивается на неподвижное съемное кольцо и останавливается, а очищенные сита уходят под кольцо. При движении толкателя от станицы осадок перемещается вместе с ситами, а на очищенные сита поступает новая порция суспензии.

За несколько ходов осадок продвигается по всей длине I каскада ротора и пересыпается на сита II каскада.

При движении толкателя от станины прижимное кольцо сит I каскада наталкивается на осадок на ситах II каскада и перемещает его вдоль ротора к выгрузочному бункеру.

При перемещении осадка вдоль ротора вначале происходит основной отжим жидкой фазы, затем просушка, в случае необходимости — промывка осадка и окончательная просушка осадка.

в) Сушилка После отделения кристаллов никеля сернокислого от маточного раствора, кристаллы содержат свободную влагу, которую удаляют для придания готовому продукту свойств соответствующих требованиям стандарта [12,24]. Для этого предприятие применяет сушилку барабанную, вращающуюся, непрерывного действия. Диаметр сушилки составляет 1200 мм, длина 8 м. Она оснащена приемным бункером, вентилятором типа Ц 14−46, калорифером КСК 4−10, шнеком с приводом, ковшевым элеватором ЭЛМ-160.

Для сушки кристаллов применяют конвекционную сушку, в качестве теплоносителя используют горячий воздух, используя принцип прямотока. Нагнетающий вентилятор подает воздух для нагрева в паровой калорифер, затем в сушильный барабан.

Поддерживают и регулируют заданную температуру с помощью вентилей на подаче пара в калорифер. Внутри наклонного вращающегося барабана установлены продольные полки и при вращении барабана готовый продукт пересыпается с них, попадает в горячий воздушный поток, сушится и ссыпается в приемный бункер узла упаковки и пакетирования.

Воздух, запыленный мелкими частицами, из сушильного барабана с помощью вытяжного вентилятора протягивают через циклон, где оседает большая часть мелкодисперсных частиц, затем через установку очистки газа очищенный от пыли воздух выбрасывают в атмосферу (рисунок 2.3). Собранную в контейнер под циклоном пыль готового продукта периодически растворяют и направляют в технологический процесс. Данный аппарат выбран в связи с тем, что высушиваемый никель сернокислый является сыпучим. Благодаря наклону и вращению барабана материал непрерывно перемещается внутри него, минимально измельчается и имеет хороший контакт с рабочими газами. Данная сушилка может работать не только на смеси топочных газов и воздуха, но также и на нагретом воздухе.

3.2 Описание и расчет вакуум-выпарной установки Выделение никеля сернокислого из маточных растворов медного отделения предусматривается в две стадии вакуум — выпарной кристаллизации. Это один из основных процессов производства никеля сернокислого на предприятии ОАО «Уралэлектромедь».

Маточный раствор медного отделения содержит повышенное количество примесей: CuSO₄, FeSO₄, ZnSO₄, CaSO₄, Na₂SO₄ и др. Обезмеженный раствор из электролитных ванн направляют на двухстадийную упарку раствора, одновременно с упаркой происходит кристаллизация никеля сернокислого.

На ряде действующих медеэлектролитных заводов этот процесс осуществляется в вакуум-выпарных аппаратах с вынесенной греющей камерой, которые работают периодически, так как на теплопередающей поверхности происходит интенсивное образование нерастворимой и механически прочной накипи, состоящей преимущественно из сульфата.

СверНИИхиммашем были проведены исследования вакуум-кристаллизации производственного раствора в опытных циркуляционных кристаллизаторах разных конструкций. На основании полученных результатов была разработана и успешно внедрена в эксплуатацию в купоросном цехе ОАО «Уралэлектромедь» выпарная вакуум — кристаллизационная установка, а также были приняты следующие технические решения:

— процесс упаривания на «кристалл» проводится непрерывно в выпарном вакуум — кристаллизаторе двухконтурного типа;

— температура упарки раствора и кристаллизации никеля сернокислого поддерживается в интервале 40 — 55⁰С;

— греющая камера установлена в наружном циркуляционном контуре вакуум — кристаллизатора на нагнетательной линии циркуляционного насоса. Через греющую камеру осуществляется циркуляция осветленного маточного раствора, отбираемого из внутренней отстойной камеры кристаллизатора;